于婷婷，雷鳴，劉寧，趙凱

(哈爾濱商業(yè)大學 食品科學與工程省級重點實驗室，哈爾濱 150028)

淀粉是自然界中含量較為豐富的高分子物質，屬于可再生資源[1]，主要從植物的果實、種子以及根莖中提取，是一種人和動物的能量及營養(yǎng)來源[2-3]。淀粉具有獨特的物化特性及營養(yǎng)功能，在食品加工中具有改善口感、增稠、乳化、提高體系穩(wěn)定性等功能特性[4]，在湯汁、色拉調味汁等調味產品中的應用較多。在常溫下，淀粉不溶于水，當溫度升高至糊化溫度以上時，若體系水分含量較高(>30%)，顆粒將會溶脹、崩解，最終變?yōu)榫鶆虻暮隣钜后w；而在中低水分含量(10%～30%)條件下，顆粒則會產生變形、團聚以及破損等變化[5]。在淀粉類主食制品加工過程中，一般會進行不同程度的熱處理，根據加工工藝及產品組成的差異，所得到的往往是糊化程度不同的主食類淀粉產品[6]。糊化后的淀粉置于低溫狀態(tài)時，淀粉分子之間通過氫鍵結合，重新排列形成高結晶度的結晶體，不同處理溫度的淀粉老化速度亦有所不同。淀粉老化通常與食品貯藏穩(wěn)定性有關，食品的貯藏穩(wěn)定性隨著老化速率的升高而降低，貨架期縮短[7-9]，因此，研究不同糊化程度對淀粉顆粒表觀形貌、老化特性的影響有重要意義。

在食品工業(yè)中，淀粉在加工和儲存過程中發(fā)生老化對食品的組織結構、穩(wěn)定性、質量、消化性以及功能特性都有著重要的影響[10]。淀粉的結晶結構、儲藏溫度、含水率等能影響老化速率[11-12]。近年來，關于糊化淀粉老化的研究內容較多，但是多集中在處于完全糊化狀態(tài)的淀粉顆粒，常常忽視不同糊化度對老化進程的影響。如潘治利等[13]對馬鈴薯淀粉的糊化過程進行了研究，發(fā)現不同糊化程度淀粉的結晶、熱焓及糊化等物化特性均不同，尤其是回生值的變化，也因此影響產品的加工及貯藏性能。劉靜[14]對板栗淀粉老化特性的研究發(fā)現，老化淀粉的網狀結構遭到破壞，其結晶度比板栗原淀粉低。劉長姣等[15]研究水分含量與玉米淀粉老化特性的關系發(fā)現，隨著水分含量的升高，糊化所需的熱焓增大，但老化速率降低；Xie等[16]研究發(fā)現，對糯玉米淀粉和普通玉米淀粉進行熱處理后，其糊化焓顯著降低，進而其老化進程也得到延緩；Hu等[17]比較了壓力糊化與熱糊化大米淀粉的老化過程發(fā)現大米淀粉經高靜壓糊化后的老化速度比熱糊化速度慢，同時采用Avrami方程進一步分析DSC，發(fā)現壓力糊化的大米淀粉比熱糊化的大米淀粉重結晶率(k)低，Avrami指數(n)高，但兩種處理對糯米淀粉的重結晶率均沒有影響。本文將使用差示掃描量熱儀研究部分糊化淀粉的老化過程，通過改變馬鈴薯淀粉的糊化程度探究其對淀粉老化特性的影響，為淀粉在食品調味中的應用提供了理論及實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉：市售；石油醚、碘、碘化鉀、氫氧化鈉、無水乙醇等試劑：均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

DSC4000差示掃描量熱儀、Spectrum 100X射線衍射儀 Perkin Elmer公司；TDL-5-A離心機 上海安亭科學儀器廠；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州市亞榮儀器有限公司；SU8010掃描電子顯微鏡 日本Hitachi 公司；DHG-9420A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；722S可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 部分糊化淀粉的制備

配制質量分數為10.0%的馬鈴薯淀粉溶液，分別放置于60，64，68，72，74，76，100 ℃的水浴鍋中加熱一定時間，100 r/min振蕩后冷卻至室溫，離心，將沉淀置于45 ℃的烘箱內干燥24 h，粉碎、過篩，備用。

1.3.2 淀粉顆粒形貌及偏光十字變化

利用掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察淀粉的微觀形貌以及結構[18]。將樣品均勻分散至導電雙面膠表面，鍍金處理，然后將其放入SEM中觀察[19]。同時，取一定量部分糊化淀粉和甘油的混合液，放置在載玻片上，利用偏振光顯微鏡觀察樣品偏光十字的變化情況[20]。

1.3.3 X-衍射的測定

參考Chen等[21]的測定方法，利用 X-射線衍射儀(XRD)來分析樣品的結晶特性。測定前淀粉在100%相對濕度下平衡24 h，具體測試參數：衍射角(2θ)掃描范圍1°～60°，步長0.02°，掃描速度10°/min。

1.3.4 淀粉熱焓特性及糊化度的測定

將樣品與蒸餾水按1∶2的比例置于DSC鋁坩堝中，密封，在室溫下平衡2 h[22]。以空皿作為參比，從20 ℃升至110 ℃(10 ℃/min)，測定糊化起始溫度(onset temperature,To)、糊化完成溫度(conclusion temperature，Tc)、糊化峰值溫度(peak temperature，Tp)、糊化焓(gelatinization enthalpy，ΔHgel)，以及糊化度(gelatinization degree，GD)[23]：

式中：HNS為原淀粉糊化焓，J/g；HTS為部分糊化淀粉糊化焓，J/g。

1.3.5 部分糊化淀粉老化度的測定

測定步驟同1.3.4。

1.3.6 部分糊化淀粉老化動力學研究

將樣品置于4 ℃的冰箱中貯存3～14 d，測定其老化后結晶體發(fā)生熔融作用的To、Tp、Tc、老化焓(retrogradation enthalpy，ΔHret)，計算老化度(retrogradation degree，RD)[24]：

注：ΔHret為老化焓；ΔHgel為糊化焓；RD為老化度。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

本文中的全部實驗結果均表示為平均值±標準偏差(n=3)，平均值、標準偏差由Excel 2013和SPSS 17.0統(tǒng)計處理獲得；利用方差分析和Duncan檢驗來確定均值差異的統(tǒng)計學意義(p<0.05)；使用Origin 8.5進行作圖及其他分析[25]。

2 結果與分析

2.1 熱處理溫度對淀粉顆粒形貌及偏光十字的影響

由圖1可知，淀粉顆粒大小不同，大粒為卵形，小粒為圓形，粒徑可以達到15～100 μm[26]。由圖1中B可知，淀粉在64 ℃時的糊化度不高，為26.16%，幾乎所有顆粒的雙折射現象保持不變，仍然保持顆粒態(tài)，僅有少數淀粉顆粒的偏光十字從臍點處變暗，顆粒的表面有顯著的熔融、凹陷現象。由圖1中C可知，當溫度為68 ℃時，馬鈴薯淀粉糊化度增加，大部分淀粉的顆粒崩解、黏連，出現聚集現象，淀粉的雙折射現象有明顯減少，顆粒偏光十字從臍點、顆粒邊緣發(fā)生不同程度的缺失，僅有少數淀粉保持顆粒形貌。由圖1中D可知，升溫至72 ℃以后，顆粒的糊化度可以達到69.81%，多數顆粒崩解，失去形態(tài)，其偏光十字基本消失。由圖1中E和F可知，溫度為76 ℃和100 ℃以后，糊化度分別為93.52%、100%，高溫將結構全部破壞，導致偏光十字全部消失[27]。因此，隨著溫度升高，馬鈴薯淀粉顆粒形貌表現為顆粒表面粗糙、凹陷、融化、黏結，最終崩解破碎。

圖1 不同溫度處理淀粉顆粒形貌

2.2 熱處理溫度對淀粉結晶特性的影響

由圖2可知，2θ角對應的特征峰分別在5.6°、17.2°、22.2°、24.0°，顯然17.2°所在位置的特征峰為最強峰，在6°左右表現出的特征峰是B型結晶結構所特有的，因此，熱處理后淀粉衍射峰的位置沒有發(fā)生明顯的變化，說明熱處理溫度對其結晶類型沒有影響，這與Miyoshi[28]的結論一致。但反應前后淀粉的X-射線衍射圖譜仍然存在某些差異，隨著處理溫度的增加，特征峰強度逐漸降低，X-射線衍射圖譜中尖銳衍射峰逐漸趨于彌散，當溫度升高至完全糊化時，特征峰消失，這是由于在熱處理過程中，結晶區(qū)中支鏈淀粉間氫鍵斷裂，直鏈淀粉溶出并與支鏈淀粉分子鏈之間相互交替纏繞，淀粉結晶結構從高度有序向無序轉變，提高了淀粉非結晶程度；同時，非晶化程度也與重排過程的直鏈淀粉含量有關，隨著直鏈淀粉含量增加，顆粒內的分子流動性增強，淀粉的非晶化程度相應地提高，進而表現出X-衍射峰彌散強度增強的現象，呈現彌散峰，與Zhao等[29]的結論一致。

圖2 部分糊化淀粉 X-衍射圖譜

2.3 熱處理溫度對淀粉熱焓特性的影響

由圖3可知，溫度越高，ΔH越低。淀粉在76 ℃時已基本糊化完全，這種現象是由于淀粉典型的半晶體結構導致顆粒內交替排列著結晶態(tài)環(huán)層和不定形環(huán)層[30]，以不同溫度對淀粉進行處理后，水對淀粉的增塑作用使其進入淀粉分子的不定形環(huán)層，破壞分子內和分子間氫鍵并將其水化，隨著溫度進一步提高，淀粉高度有序結晶,結構破壞越嚴重，同時伴隨著直鏈淀粉溶出，糊化度越高，淀粉結構破壞越嚴重。

圖3 不同熱處理DSC熱譜圖

由圖3可知，隨著反應溫度的升高，部分糊化淀粉糊化吸熱峰面積逐漸降低，最后完全消失，淀粉的Tp向右偏移。該現象是由于晶體結構在熱力作用下由不定形區(qū)域向結晶區(qū)域轉變，雙螺旋結構之間相互作用形成結晶束(高度有序)，這種結晶束和微晶束均能提高淀粉的熱力學穩(wěn)定性[31]。綜上，淀粉經熱處理后，To、Tp、Tc值均升高，△H和糊化溫程Tc-To下降。

2.4 熱處理溫度對淀粉老化度的影響

由圖4可知，在4 ℃儲存的過程中，部分糊化馬鈴薯淀粉在老化作用發(fā)生后，表現出老化度隨貯藏時間的增加而提高，淀粉To、Tp、Tc隨老化度的提高而上升，老化焓呈增大趨勢；淀粉老化度隨糊化度的增加而增加，完全糊化淀粉擁有最大的老化度。直鏈淀粉分子的重組能夠直接影響淀粉的老化進程[32]，當熱處理溫度低時，淀粉顆粒具有較低的糊化度，此時，淀粉顆粒是以有序晶體結構排列的，顆粒中分支狀支鏈淀粉占4%～5%，導致空間位阻大，老化不易發(fā)生，所以淀粉老化速率較慢，老化度不高。當溫度升高時，糊化度增加，此時淀粉顆粒結晶結構破壞嚴重，線性直鏈淀粉溶出，分子質量少的線性直鏈淀粉空間位阻小，老化易于發(fā)生，此時淀粉老化度增加，當完全糊化時，老化度最高。其次，淀粉糊化度較低時，淀粉顆粒結構間結合緊密且含有大量有序晶體結構，分子鏈的移動困難，能夠阻礙老化進程中雙螺旋結構的形成，淀粉老化時To、Tp、Tc及老化焓較低，當淀粉糊化度增加，老化時淀粉顆粒重新形成的淀粉具有較高穩(wěn)定性，此時，破壞淀粉雙螺旋結構需提供更多能量，所以淀粉老化時To、Tp、Tc、△H增加。

圖4 在4 ℃下儲存部分糊化淀粉老化時間與老化度的關系

2.5 部分糊化淀粉的老化動力學

依據Avrami方程分析部分糊化淀粉老化動力學。

式中：E0是初始老化焓；Et是t時的老化焓；EL是最大老化焓；θ是t時的結晶度；t是結晶時間；k是結晶速率常數；n是成核及晶核生長方式的整數，又稱Avrami指數。由于淀粉老化時形成結晶的成核及生長方式是同時發(fā)生且線性一維生長的，因此n=1。當n=1時，能得到最理想的速率常數k(1/k為時間常數)，k值以作圖所得直線的斜率來表示[33]。

由圖5中l(wèi)n(EL-Et)對時間t作圖所得直線的斜率可知，老化速率常數分別為：原淀粉0.0117，PS-60 0.0162，PS-64 0.0204，PS-68 0.0279，PS-72 0.0321，PS-74 0.0331，PS-100 0.2491，計算得出對應的時間常數分別為:tSN=1/KSN=85.47，tS60=1/K60=61.72，tS64=1/K64=49.01，tS68=1/K68=35.84，tS72=1/K72=31.15，tS74=1/K74=30.21，tS100=1/K100=4.01，由此可見，當貯存溫度為4 ℃時部分糊化馬鈴薯原淀粉糊化速率是PS-60淀粉的0.72倍，PS-64淀粉的0.57倍，PS-68淀粉的0.41倍，PS-72淀粉的0.36倍，PS-74淀粉的0.35倍，PS-100淀粉的0.04倍。

圖5 部分糊化淀粉老化動力學方程

3 結論

掃描電鏡和偏光顯微鏡結果表明，隨著處理溫度的升高，部分糊化淀粉顆粒表面出現不同程度的變形，淀粉糊化溫度低時，顆粒表面出現粗糙、缺失等現象，糊化度增大，顆粒開始凹陷、破碎、團聚直至完全失去顆粒結構；X-射線衍射結果表明，隨著處理溫度的升高，淀粉的結晶區(qū)域逐漸降低至完全失去結晶結構，特征峰消失呈無定形狀態(tài)；熱焓特性分析表明，部分糊化馬鈴薯淀粉的To、Tp、Tc隨溫度的升高而升高，△H和糊化溫程Tc-To降低；部分糊化馬鈴薯淀粉在4 ℃儲存3～14 d，其老化度隨貯藏時間的增加而提高，利用Avrami方程定量得出老化焓與儲存時間線性相關，糊化淀粉的老化速率隨反應時間的增加而提高，其To、Tp、Tc有所上升，老化焓也不斷提高，完全糊化后的淀粉具有最大的老化速率和老化焓，其值是部分糊化淀粉的2～3倍。

由上述實驗結果分析可以得出糊化過程中馬鈴薯淀粉顆粒及老化特性的變化規(guī)律，為進一步提高淀粉作為調味食品的穩(wěn)定性和工業(yè)生產應用提供了理論依據。